[논문 리뷰] A power-efficient integrated lithium niobate electro-optic comb generator

Ke Zhang, Wenzhao Sun외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 20.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저손실 모드 멀티플렉서와 웨이브가이드 크로스오버를 통해 조절 전극을 4회 주행하는 방식으로 광대역 주파수 콤 생성을 달성하는 전력 효율적인 리튬니오브산 염 전기광학 주파수 콤 생성기를 제시한다. 광 신호를 전극을 네 번 통과시킴으로써 위상 변조 효율이 크게 향상되어 전기적 전력 소모가 한 개 이상의 주기 감소된다. 이로 인해 25 GHz 반복 주파수에서 47선의 주파수 콤을 28 dBm(0.63 W)의 RF 드라이브 전력으로 생성할 수 있다.

ABSTRACT

Integrated electro-optic (EO) frequency combs are essential components for future applications in optical communications, light detection and ranging, optical computation, sensing and spectroscopy. To date, broadband on-chip EO combs are typically generated in high-quality-factor micro-resonators, while the more straightforward and flexible non-resonant method, usually using single or cascaded EO phase modulators, often requires high driving power to realize a reasonably strong modulation index. Here, we show that the phase modulation efficiency of an integrated lithium niobate modulator could be dramatically enhanced by passing optical signals through the modulation electrodes for a total of 4 round trips, via multiple low-loss TE0/TE1 mode multiplexers and waveguide crossings, reducing electrical power consumption by more than one order of magnitude. Using devices fabricated from a wafer-scale stepper lithography process, we demonstrate a broadband optical frequency comb featuring 47 comb lines at a 25-GHz repetition rate, using a moderate RF driving power of 28 dBm (0.63 W). Leveraging the excellent tunability in repetition rate and operation wavelength, our power-efficient EO comb generator could serve as a compact low-cost solution for future high-speed data transmission, sensing and spectroscopy, as well as classical and quantum optical computation systems.

연구 동기 및 목표

• 통합 플랫폼에서 비공진 전기광학 주파수 콩 생성기의 높은 전기적 전력 소모 문제를 해결하기 위해.
• 고-Q 마이크로레조너를 활용하지 않고 통합 리튬니오브산 염 변조기의 위상 변조 효율을 향상시키기 위해.
• 저전력 소비로 광대역, 테이블러블 주파수 콩을 실현하여 광통신 및 센서 분야의 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.
• 고성능 통합 전기광학 장치를 위한 확장 가능한 웨이퍼 수준의 제조 기반을 구현하기 위해.

제안 방법

• 저손실 TE0/TE1 모드 멀티플렉서와 웨이브가이드 크로스오버를 통해 광 신호가 동일한 전기광학 변조 전극을 네 번 통과하도록 루팅한다.
• 네 번의 주행으로 누적된 위상 변조 효과는 RF 드라이브 전력 증가 없이도 효과적인 변조 지수를 크게 향상시킨다.
• 웨이퍼 수준의 스테퍼 리소그래피 공정을 사용하여 장치를 제조함으로써 고수율과 확장성을 확보한다.
• 장치는 공진하지 않는 전기광학 콩 생성기로 작동하며, 주기적으로 도핑된 리튬니오브산 염 웨이브가이드에서의 위상 변조에 의존한다.
• 디자인은 리튬니오브산 염의 높은 전기광학 계수를 활용하고 최적화된 모드 변환 및 루팅을 통해 전파 손실을 최소화한다.
• 25-GHz 반복 주파수와 28 dBm의 RF 드라이브 신호를 사용하여 실험적으로 시스템을 특성화함으로써 광대역 주파수 콩을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 리튬니오브산 염 변조기의 위상 변조 효율을 전극을 여러 번 통과시키는 방식으로 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 사용할 경우 비공진, 저전력 전기광학 콩 생성기에서 도달할 수 있는 최대 주파수 콩 선 수는 얼마인가?
• RQ3 다중 통과 구조에서 주행 횟수에 따라 전기적 전력 소모는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 통합 플랫폼에서 주파수 콩의 반복 주파수와 중심 파장은 어느 정도 조절 가능한가?
• RQ5 이 방법은 저손실 전파를 유지하면서도 1W 미만의 RF 전력으로 광대역 주파수 콩 생성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 25-GHz 반복 주파수에서 47개의 고유한 주파수 콩 선을 포함하는 광대역 주파수 콩을 생성한다.
• 이 시스템은 단지 28 dBm(0.63 W)의 RF 드라이브 전력으로 이 성능을 달성하여 기존의 비공진 접근 방식 대비 전력 소모가 한 개 이상의 주기 감소된 결과를 보였다.
• 전극 통과를 위한 4회 주행 광경로가 위상 변조 효율을 향상시켜 중간 수준의 RF 전력으로도 강력한 변조를 가능하게 한다.
• 장치는 반복 주파수와 중심 파장에서 뛰어난 조절성을 보이며 다양한 응용 분야에 맞는 융통성 있는 운영이 가능하다.
• 웨이퍼 수준의 스테퍼 리소그래피를 사용함으로써 복잡한 다중 통과 웨이브가이드 아키텍처의 확장 가능한 고수율 제조가 가능해졌다.
• 저손실 모드 멀티플렉서와 웨이브가이드 크로스오버는 다중 통과 동안 신호 무결성을 유지하여 삽입 손실과 커플링을 최소화한다.